髌股关节痛病因、治疗和分组的生物力学研究进展

杨辰 曲峰

北京体育大学（北京 100084）

髌股关节痛（patellofemoral pain，PFP）是下肢最常见的过劳损伤之一。症状通常表现为在下蹲、久坐、上/下楼梯、跑步等功能性活动中，膝关节髌后或髌周出现疼痛[1]。髌股关节痛多采用排除式的诊断方法，诊断要求检查髌骨损伤的临床特征，并排除韧带或半月板等其他组织的损伤，最终确定为髌股关节痛[2]。髌股关节痛主要发生在体力活动较多的青少年群体中，在膝关节所有损伤中所占比例高达25%～40%[3]。针对军校大学生的流行病学研究发现，髌股关节痛流行率高达13.5%，发病率为22/1000人每年，其中女性发病率是男性的2.23倍[3]。对于初次产生髌股关节痛的个体来说，70%～90%的患者会出现复发或慢性症状[4]。同时，青少年时期的髌股关节痛可能导致日后发展为髌股关节炎，研究显示有22%的髌股关节炎患者存在膝前痛病史[5]。由于髌股关节痛在运动人群中较为常见，并影响患者的体力活动水平，且日后可能造成更严重的后果，因此需要给予髌股关节痛更多的关注和研究。

明确髌股关节痛的危险因素和干预手段对损伤的预防和治疗至关重要，也是生物力学研究的主要方向。普遍认为髌股排列不齐或轨迹异常是造成髌股关节痛的主要原因，而异常应力对软骨下骨产生的刺激和炎症反应可能是导致疼痛的潜在途径[1]。髌股排列不齐或轨迹异常的来源是多元的，研究将其归纳为外在因素（运动负荷、装备、环境情况等）和内在因素（性别、年龄、解剖结构、肌肉力量和柔韧性、与生物力学相关的神经肌肉控制等），伴随膝关节过度使用，最终导致髌股关节痛[1]。其中，通过适宜调整可以预防或延缓症状的内在因素又被称为可改变因素。临床上对髌股关节痛的治疗主要针对其潜在的可改变因素，通过保守疗法矫正髌股排列不齐或轨迹异常，从而缓解疼痛[6]。在过去20年中，针对髌股关节痛的可改变因素和保守治疗已进行了大量的临床和实验研究，但损伤率仍未下降，且诸多研究方向尚无定论[1，6]。本文主要从髌股关节痛的可改变因素和保守治疗入手，通过总结相关的生物力学研究，分析当前髌股关节痛的研究进展，提出现阶段研究存在的主要问题和今后研究的方向，以期为临床医师、研究人员和损伤患者提供理论依据，并为今后相关研究提供借鉴。

1 髌股关节痛的危险因素

1.1 肌肉力量

肌力失衡可能影响功能性活动中神经肌肉的控制能力。股四头肌是髌骨唯一的动态稳定结构，其中股内斜肌是限制髌骨外移最主要的肌肉[7]。离体研究发现，在模拟屈膝0～15°的过程中，股内斜肌力量薄弱会导致髌骨外移增加[8]。除了股四头肌造成的直接影响外，薄弱的躯干和髋部肌肉力量也会影响人体对股骨异常运动的控制，进而增大髌股关节的负荷。Boling等[9]对1597名海军学院的学员进行了长达两年半的前瞻性研究，研究进行了膝关节屈和伸、髋关节伸和外展、髋关节内旋和外旋共6项下肢等长肌力测试，最终发现损伤人群在基线测试中相比未损伤人群的股四头肌和腘绳肌肌力减弱、髋关节外旋力量增大。Finnoff等[10]针对高中跑步运动员进行的前瞻性研究则显示髋关节较大的外展力量和较小的外旋力量与髌股关节痛的发生有关，研究认为较小的髋关节外旋力量减弱了人体对股骨内旋的控制，从而增大了髌股关节应力。虽然这与部分研究结果相反，但对照研究也表明髌股关节痛患者相比于健康人群髋外旋力量显著降低[11，12]。

1.2 肌肉柔韧性

下肢柔韧性可以潜在影响髌股关节运动和负荷。理论上认为股四头肌柔韧性下降会抑制屈膝，并直接影响髌骨轨迹，增大髌股关节应力；股后肌群紧张不仅会造成屈膝增加，同时为了对抗紧张的股后肌群也需要更大的股四头肌力量，这两种情况都会增大髌股关节反作用力；腓肠肌柔韧性不足可能引起足部旋前，进而增大胫骨内旋，造成动态膝外翻；髂胫束与髌骨和髌外侧支持带存在解剖学关联，髂胫束紧张会增大作用于髌骨外侧的力[13]。Witvrouw等[14]对282名中学生进行了两年的前瞻性研究，并测试了股四头肌、腓肠肌和腘绳肌的柔韧性，研究认为股四头肌和腓肠肌柔韧性较差是髌股关节痛的危险因素。另一项对照研究也同样发现髌股关节痛患者下肢肌肉柔韧性不足，结合两项研究表明柔韧性下降并不是损伤造成的结果，而可能是引起损伤的原因[15]。

1.3 与生物力学有关的神经肌肉控制

1.3.1 局部因素

运动过程中足部支撑阶段的股胫关节角度和力矩被认为是影响髌股关节运动和负荷的重要因素。Lee等[16]通过压敏片获得股骨相对于胫骨转动时髌股关节处的压强，结果发现股胫转动与髌股关节压强属于非线性关系，股骨转动小于20°时，压强增大幅度很小，转动幅度继续增大后，压强则急剧增大。而Boling等[9]的前瞻性研究则认为高处落地时膝关节屈曲角度减小是髌股关节痛的危险因素。Myer等[17]采集了中学女子篮球运动员垂直落地的下肢生物力学数据，结果发现着地阶段膝外展力矩超过15.4 Nm，有6.8%的风险发展成为髌股关节痛，而低于该阈值则只有2.9%的损伤风险，因此认为较大的膝外展力矩是髌股关节痛的危险因素。Stefanyshyn等[18]也通过前瞻性研究和对照研究综合表明膝关节外展冲量可能是造成髌股关节痛的原因。

股内斜肌和股外侧肌分别作用于髌骨内、外上方，理论上认为功能性活动中股内斜肌相对于股外侧肌在激活程度和时间上的不平衡会造成髌骨轨迹异常。Witvrouw等[14]则发现在前瞻性研究的基线测试中，髌股关节痛患者的股外侧肌和股内斜肌均比未发病人群激活更快，但两块肌肉激活时间的差值与未发病人群相比没有显著差异，进一步的回归分析也只显示较快的股内斜肌激活是髌股关节痛的危险因素。

1.3.2近端和远端因素

膝关节近端和远端各环节的异常运动都可能导致膝关节产生补偿性运动，造成动态下肢排列不齐，进而影响正常的髌骨轨迹。Duffey等[19]针对长跑运动员的研究发现，在跑步支撑期的前十分之一阶段，足旋前减小是造成膝前痛的危险因素，研究认为足够的足旋前在触地时刻可以产生适当的减震效果，而旋前减小引起的刚性着地会增加对下肢的冲击，带来更大的损伤风险。虽然有研究认为足过度旋前才是髌股关节痛的危险因素，但不论是过度旋前还是旋前减小，二者都属于异常的足部运动模式，伴随过度使用都会增加生理负荷，因此也都可能导致髌股关节痛[20]。Thijs等[20]还在前瞻性研究中加入了足底压力的测试，结果表明髌股关节痛人群在基线测试中存在着地初期外侧压力分布增加、出现第4跖骨最大压强的时间缩短、足前掌支撑期压力中心侧向最大速度降低等异常，因此研究认为过多使用足底外侧支撑的人群更易出现髌股关节痛。

标本和MRI研究表明股骨内旋、内收过度会增加髌骨外移和外倾，并增大髌股关节应力[1]。Noehren等[21]针对400名女性跑步者进行了一项长达两年的前瞻性研究，其中15人最终发生髌股关节痛，研究发现在基线测试中损伤人群跑步支撑期的髋关节内收显著增大。Boling等[9]也发现高处落地中髋内旋增大是髌股关节痛的危险因素。

1.4 危险因素小结

前瞻性研究是鉴别损伤危险因素的主要方法，但当前研究结果尚不统一。Boling等[9]认为髋外旋力量较大是髌股关节痛的危险因素，但Thijs等[22]发现髋关节力量与髌股关节痛不相关，Finnoff等[10]的研究则发现髋外展力量较大和髋外旋力量不足的跑步者更易发生髌股关节痛。同样，股内斜肌激活延迟、足过度旋前等因素是否会造成髌股关节痛，也在不同研究中相互矛盾[9，14，20，23]。一篇系统综述总结了7项前瞻性研究中共135个髌股关节痛危险因素，认为多数研究设计都存在增大一类误差的可能性，导致一些不重要的变量被认为是潜在的危险因素[24]。另外，目前研究中对髌股关节痛缺乏统一明确的定义，对非军事人员的研究较少，而且使用的生物力学参数和测试方法也不同。这些原因使得研究间缺乏可比性，且现有结果无法扩展至普通人群。

也有大量研究希望通过对比患者与健康人群的差异，来了解髌股关节痛与肌肉力量和柔韧性、下肢生物力学等因素之间的关系，辅助前瞻性研究认识危险因素。但单独的对照研究无法判断损伤人群与健康人群之间的差异是造成损伤的原因，还是损伤引发的结果。因此，只能将其作为与髌股关节痛相关的因素[25]。

2 髌股关节痛的治疗手段

2.1 髌骨贴扎和支具

贴扎的主要功能包括改变髌股排列、改善股内斜肌激活和膝关节本体感觉。McConnell[26]首次提出使用髌骨贴扎来治疗髌股关节痛。贴扎可以产生使髌骨向内侧倾的力，以改善髌骨轨迹。同时，贴扎还可减小伸膝过程中髌骨向上的平移，以此增加接触区域。也有研究发现贴扎可使髌股关节痛患者在上台阶时股内斜肌激活提前，在下台阶时股内斜肌激活提前、股外侧肌激活延后[27]。同时，贴扎作为辅助手段也可积极影响髌股关节痛的治疗，Meta分析认为在训练中加入贴扎作为辅助治疗，比单独训练的治疗效果更好[28]。但也有研究认为贴扎只起到安慰剂的作用，并且多数研究表明贴扎只能在短期内降低疼痛等级，而缺乏足够的临床意义，因此多将其作为暂时性缓解髌股关节痛的治疗手段[29]。

支具的功能与贴扎类似，可以改变髌骨轨迹，并影响膝关节周围本体感觉。Powers等[30]利用MRI评估髌股关节接触区域，并通过步态分析获取有、无佩戴支具时的生物力学数据作为输入参数，利用数学模型计算髌股关节应力。研究发现支具虽然同时增大了髌股关节的接触面积和反作用力，但对于接触面积的影响更大，因此可以有效降低髌股关节应力。但临床和生物力学研究中支具的治疗效果仍未明确，Meta分析也指出虽然支具被认为可以减缓疼痛和改善功能，但由于缺乏高质量的研究，在临床上的作用仍需进一步探讨[28]。

2.2 足部矫形器

足部矫形器常被用于控制足部异常的姿态或运动，以此改善动态下肢排列不齐。Collins等[31]将髌股关节痛患者随机分入4个治疗组（足部矫形器组、矫形鞋垫组、物理治疗组、物理治疗结合足部矫形器组），调查发现所有治疗组在疼痛和功能上都有短期改善，但是治疗组之间无显著差异，因此认为足部矫形器会产生短期作用，但联合物理治疗不会产生额外效果。Vicen⁃zino等[32]也未发现足部矫形器和其他治疗手段在效果上的显著差异，但后续分析发现，足部矫形器对于身高低于165 cm、年龄大于25岁、疼痛等级较低、承重后足中段宽度增大11 mm以上的髌股关节痛患者会有更好的治疗效果。Barton等[33]在受试者中筛选出走路时足旋前异常的髌股关节痛患者，结果发现利用足部矫形器治疗这些患者可以产生较好的疗效，并认为最大足外翻角度可以用于预测足部矫形器对髌股关节痛的治疗效果。因此，足部矫形器应针对性治疗存在足部异常的髌股关节痛患者。

2.3 训练干预

力量训练是训练干预中最重要的内容。由于股四头肌对髌骨轨迹起到重要作用，肌力不均衡会增加髌骨轨迹异常的风险，因此力量训练多针对股四头肌。一项系统研究表明，股四头肌力量训练在缓解疼痛和改善功能上具有积极作用，并推荐其作为治疗髌股关节痛的基本手段[34]。Chiu等[35]发现经过8周的膝关节抗阻训练，患者髌股关节接触面积显著增加，这有助于降低关节应力，而评估也显示患者在疼痛和功能上均得到改善。另一方面，由于髋外展和外旋的力量训练可以改善跑步过程中的下肢运动模式和关节负荷，臀肌训练也可以改善骨盆稳定性和动、静态姿势控制，因此近端肌肉的力量训练对髌股关节痛治疗也十分重要。研究发现在股四头肌力量训练的基础上加入髋部和腹部力量训练可有效改善膝关节功能，并表现出比单独的股四头肌训练更显著的作用[36]。

柔韧性训练常作为对力量训练的补充。Peeler等[37]发现3周的静态股四头肌拉伸训练可以降低髌股关节痛患者的疼痛等级，并改善膝关节功能。而相比传统的静态拉伸，本体神经肌肉的易化牵拉（PNF）则表现出更好的效果。Moyano等[38]发现4周的PNF结合有氧训练，以及传统的静态拉伸训练，都可以减缓疼痛，但PNF结合有氧训练的治疗效果更好。

虽然训练干预有助于疼痛减缓和功能改善，但理想的训练方法尚未确定，特定的训练模式和频率研究也存在争议。同时，研究表明停止训练后治疗效果会逐渐消失[6]。因此，一个全面的训练干预应以股四头肌力量训练为基础，加入近端肌肉力量训练，并辅以下肢柔韧性练习，同时患者在完成正式的训练项目后，需要继续进行常规训练。

2.4 治疗手段小结

髌股关节痛初期主要采用保守治疗，治疗依据损伤诱发机制或异常的生物力学特征，通过改善神经肌肉控制策略来达到治疗目的。现阶段多数研究只发现保守治疗在短期内的良好效果，很难起到长期的临床作用。同时，对积极效果的评估也多集中在减缓疼痛和改善功能上，保守治疗是否可以修正下肢异常的生物力学特征仍存在争议，这也可能是其无法起到长期作用的原因。

生物力学研究发现保守治疗对髌股关节痛患者存在靶向性。除上述提到足部矫形器对足部异常的患者治疗效果更好外，Lan等[39]也认为虽然髌骨贴扎对治疗髌股关节痛短期有效，但是对身体质量指数高、髌骨外倾角度大、Q角小的患者治疗效果相对较差。同时，虽然股内斜肌相对股外侧肌激活延迟一直被认为是髌股关节痛的诱因之一，但Pal等[40]发现只有存在异常髌骨倾斜和异常髌骨移动率的患者才会出现股内斜肌激活延迟，并认为股内斜肌力量训练可能只对这类患者有显著作用。以上研究表明，通过进一步分类髌股关节痛患者，可能发现特定亚组间的差异，且治疗手段存在靶向性。因此在髌股关节痛的治疗过程中，一方面需要结合临床评估明确病因，选择适宜患者个体的治疗方法；另一方面还可采用多模式治疗策略，将训练作为核心，并针对性使用贴扎、支具、足部矫形器等辅助手段。

3 髌股关节痛的亚组分类

当前髌股关节痛的生物力学研究中，结果仍存在争议的原因可能在于未建立和区分损伤亚组。不论是相关因素的调查，还是治疗效果的评估，先前研究多将髌股关节痛患者作为一个整体。既然损伤来源不同，并且造成患者表现出不同部位或功能上的特性，那么基于这种多源性就存在不同亚组。不同亚组在功能性活动中的特点和对治疗手段的反馈都有可能不同，因此建立在亚组分类上的髌股关节痛研究十分重要[1，41，42]。

早期髌股关节痛的分类多基于放射影像、软骨磨损等级或髌骨位置，但这些方法不易应用于临床评估[43]。更多学者认为建立亚组还可根据疼痛类型、结构差异、生物力学特性等多方面进行划分[41]。先前有研究利用放射扫描、动态MRI、三维运动捕捉系统等手段区分髌股关节痛亚组[42]。但Selfe等[42]认为以上方法成本较高，应用于临床较为局限，于是利用6个简单的临床评估对患者的髌骨移动性、足部旋前、肌肉力量和紧张度等方面进行评定，通过聚类分析最终将所有患者归入3个亚组（肌力强壮组、肌力薄弱和肌紧张组、肌力薄弱和足旋前组），并结合先前研究对不同亚组提出了针对性的治疗建议。Keays等[44]则提出了4个临床上的髌股关节痛亚组：髌骨移动过大组、髌骨移动过小组、错误动作模式组和骨性关节炎组。总结临床上对髌股关节痛的分类，评估多基于检查下肢排列、髌骨排列、肌肉力量和柔韧性、神经肌肉控制，并将前两项评估出现问题的患者定义为排列不齐，其余评估出现问题的患者定义为肌肉功能性紊乱[45]。也有学者认为先前研究除了性别因素外，更多划分原则基于生物力学因素，但是疼痛等级、体重、疼痛机制等非生物力学因素也与髌股关节痛相关，并可成为损伤的分组依据[42]。Selhorst等[46]就将心理因素加入到髌股关节痛亚组的分类方法中，将患者依次纳入到疼痛逃避升高组、肌肉柔韧性下降组、功能排列不齐组、肌肉力量薄弱组。以上研究均表明髌股关节痛患者可能根据其自身特点不同而属于不同亚组，因此在相关研究中不能将其一概而论。

当前髌股关节痛亚组研究数量较少，且未形成系统的分类方法，后继也少有更深入的生物力学研究。现有研究的主要关注点并非亚组建立，多数是在进一步的分析中发现部分患者表现出一致的特征差异。这也造成了后继亚组分类所依据的因素并不一定与损伤相关，因此很难选取特定的治疗手段。这些研究的亚组分类方式是否科学、在临床上是否具有意义还有待探讨。同时，当前研究也没有建立治疗分类体系，而是将一个特定的干预手段普遍应用于所有患者，但患者个体的致病因素和异常部位都可能影响其对治疗效果的反馈。而对髌股关节痛的分类可以帮助鉴别某一亚组在特定方面的不足，也有利于针对该亚组患者进行治疗手段的设计与评估。

4 总结与建议

虽然股四头肌力量薄弱、髋外展和外旋肌力薄弱、股四头肌和腓肠肌柔韧性差、股内斜肌相对于股外侧肌激活延迟、膝关节屈曲角度减小和外展力矩增大、足过度旋前等生物力学特征都被认为是髌股关节痛的危险因素，但现阶段尚无定论。这可能源于先前研究中受试者纳入和排除标准、选择的指标参数和测试方法等方面的不同，因此今后需要更多高质量的前瞻性研究来明确髌股关节痛的危险因素。

在髌股关节痛初期，髌骨贴扎和支具、足部矫形器、训练干预等保守疗法经常被用于缓解疼痛和改善下肢功能，但目前还无法确定髌股关节痛最有效的治疗手段。现有研究结果不一致的原因一方面可能源于研究间的差异，如研究对象的不同特点、干预手段设计和执行的差别。另一方面可能源于研究方法的局限性，如不是随机对照试验设计、没有单盲或双盲设计等。同时，当前研究多集中在探讨治疗手段对患者疼痛等级和下肢功能的影响，今后需要更多研究来明确治疗手段是否可以修正功能性活动中下肢异常的神经肌肉控制。

先前研究结果不明确的原因还可能在于缺乏对髌股关节痛亚组的区分。已有研究表明髌股关节痛存在不同亚组，而不同亚组的特征和对治疗的反馈都可能不一致。因此，今后研究需要关注不同亚组间潜在的差异。同时，为了更有效地治疗髌股关节痛，研究不同亚组患者对同一治疗的反馈也十分重要，研究结果有助于在今后的治疗过程中对患者应用更有针对性的干预手段。而这些研究的基础在于建立更加系统和科学的亚组分类方式，因此如何结合生物力学测试和临床评估建立髌股关节痛亚组，进而了解不同亚组在功能性活动中的表现和对治疗方法的反馈是今后重要的研究方向。